美聚变实验10次点火揭示：材料瓶颈仍存30年差距

关于“聚变总是还差若干年”的说法，早已成了老梗。我试着追溯这句话最早从何而来，但没有找到确切源头。

不过，有研究人员的回忆可以追溯到20世纪60年代；还有人在1986年的一次会议讨论中提到过类似说法。两种说法分别认为，聚变发电还要50年，或者还要25到30年。照这个时间推算，差不多都指向2010年代。

显然，我们早已越过了那个所谓的时间节点，但媒体仍不断出现类似表述：聚变能源还要30年、还要50年，或者如果按更精细的算法，可能还要17.8年。这个笑谈讽刺的，是聚变能源接入商业电网的进展看上去过于缓慢。

但这背后也有重要前提。过去二十多年里，聚变研究已经取得巨大进展，能量输出不断提高，硬件持续改进，实验和理论层面也出现了大量突破，而且这些进展来自全球范围内大大小小的参与者。科学家也已经在实验室里实现了聚变点火。

问题其实不在于，人类能否在地球上重现恒星获取能量的方式；更关键的是，我们怎样才能持续、稳定、高效地做到这一点。

围绕这个问题，我们请专家参与了本次问答。这里不讨论聚变能源究竟何时到来，也不再为聚变研究的价值辩护。但如果聚变能源至今仍未真正落地，总该有原因，可能还不止一个。

既然如此，我们最好正视这些问题。那么，这些原因究竟是什么？如果一定要选出聚变发电面临的最大障碍，那会是什么？更重要的是，有没有什么简单的解决办法？

我们前面还有大量科学和技术开发工作要做。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置已经实现聚变点火10次，而且这个数字还在增加，但我们对于如何驾驭并应用这些聚变反应，仍有很多东西要学。需要指出的是，国家点火装置的设计目标，是为国家安全实验提供数据，而不是高效地产生商业聚变能源所需的能量增益。

到目前为止，无论是在能量增益、燃烧等离子体，还是聚变界真正看重的其他关键指标上，都还没有其他设施或技术路线接近国家点火装置。

聚变很难。它要求我们创造并控制比地球上任何环境都更极端的等离子体和材料条件，很多时候甚至超过恒星核心中的条件。这意味着我们必须不断逼近科学与工程能力的极限。“聚变很难。它要求我们不断逼近科学与工程能力的极限。”

尽管在我看来，前路依然漫长，但我仍然乐观地相信，人类最终能够做到。科学和技术每天都在取得巨大进展，而聚变一旦成功，带来的潜在收益将改变整个世界。无论还需要10年还是50年，聚变能源都值得继续投入。归根结底，进展速度会与资源和资金投入成正比。政府和投资者的支持越多，这一时间表就会越短。

聚变面临的最大障碍，是材料科学。聚变本质上提出了一个问题：我们能否在地球上造出一种装置，让它在恒星内部那样的条件下持续运行多年而不被摧毁？聚变领域很多人都认同，必须承受极端辐射和高温的反应堆部件，是最主要的难关之一。

氚增殖包层？是材料问题。托卡马克中直接面对等离子体的内壁？是材料问题。惯性聚变所需的靶丸，既要经过精密设计和极高公差制造，又要实现大规模生产，还必须做到球形完美、微观层面极其纯净？还是材料问题。磁体所需的高温超导带材？

也是材料问题。就连激光光学元件，如果要从现在每天3次发射提高到每秒10次，同时还能承受这种强度，本质上也还是材料问题。决定聚变电力能否全天候并入电网的关键，在于我们能否造出不会迅速退化、不会失效的材料，并建立起一个稳健的聚变产业供应链。

要把“恒星装进瓶子里”，我们和这个目标之间仍隔着一系列重大技术障碍。无论是磁约束聚变能源还是惯性聚变能源，都面临四项基础性挑战：维持并稳定燃烧等离子体，提高能量增益，同时又不能为了维持低成本而牺牲效率；制造能够承受强烈辐射和高热负荷的部件；以及实现氚燃料的增殖与回收。

就惯性聚变而言，国家点火装置成功实现点火，意味着我们已经在科学增益上打了一个重要勾。但国家点火装置的激光系统目前每天大约只能发射1到3次，而一座发电厂需要达到每秒约10次。这在重复频率、靶丸制造和碎屑管理方面，都是极其巨大的跨越。

斯坦福直线加速器国家实验室目前正把重点放在惯性聚变能源技术创新上，相关工作由美国能源部、聚变能源科学项目以及“聚变创新研究生态协作体”框架下的公私合作共同支持。

科学家仍需要更深入地理解，等离子体一旦进入自加热、接近点火的状态后，究竟会如何演化，其中包括湍流、不稳定性、能量输运以及阿尔法粒子动力学。无论是磁约束还是惯性聚变，两类技术路线都迫切需要在测量和诊断手段上取得创新，只有在合适的时间和空间尺度上获得验证数据，才能检验学术界、国家实验室和私营企业广泛使用的模型。对于持续燃烧等离子体的认识——例如磁约束聚变中的情况——仍不完整。

对于压缩燃料靶丸的内爆对称性和流体力学不稳定性的理解——例如惯性聚变中的情况——也仍不完整。氚燃料循环科学中的一些环节，目前同样缺乏充分约束。

不过，我们确实正在取得进展。美国能源部“聚变创新研究生态协作体”推动了国家实验室体系内部以及公私合作项目中的协同工作。商业聚变电站必须以此前从未证明过的速率和效率，完成氚的增殖、提取、处理和回收。为此，我们需要专门的试验平台来开展初步验证。美国能源部国家实验室体系中正在推进的一些项目——例如聚变包层测试设施——就是一个非常好的起点。

近一个世纪以来，人类一直知道，聚变反应有可能释放出极其巨大的能量。在这段时间里，人们提出了多种实现聚变净能量输出的路径。但要把它真正变成商业现实，事实证明，这是我们这个时代最艰巨的工程挑战之一。

如今，这些概念中的许多已经得到部分实验验证，至少对于其中一些路线，业界对其净能量物理机制能够成立抱有很高信心。多年来，物理模型、诊断技术和计算工具都取得了巨大进步，但真正拖累聚变能源实际部署的，还是资金投入长期不足。

如果人们乐观地认为，聚变能源几年内就能到来，那隐含前提其实是：必须有充足而持续的资金支持。但直到最近，聚变系统开发和测试的投资几乎都来自政府，而且始终不够。即便在这样有限的投入水平下，资金周期也更多受政治风向影响，而不是由科学进展决定。

在一些资金枯竭期，许多同行转向了其他研究领域；即使后来资金回流，很多人也没有再回到聚变领域。这反过来又让整个行业失去了大量实践经验。

如今，聚变融资已经进入一个不同的阶段。至少在西方国家，私人资本已成为最大的资金来源，而且投入规模仍在逐年增加。

现在，全球已有50多家私营公司在推进聚变技术，而其中大多数在10年前还并不存在。当然，这些公司的专业能力、技术成果和可信度差异很大。未来10年里，很多公司会消失，或者与其他公司合并，但其中也有少数公司，已经准备在未来几年发布重大消息。

其中尤其值得关注的，是所谓“科学增益大于1”这一里程碑。它意味着，在不计入工程系统效率损失的前提下，装置输出到等离子体之外的能量，大于输入到等离子体中的能量。国家点火装置已于2022年12月宣布，在惯性约束聚变上实现了这一里程碑。未来几年，一些磁约束聚变路线也会宣布各自版本的这一成果。

再往后，下一个重要里程碑是“工程增益大于1”。这一指标把所有设备效率损失都计算在内，也是实现可持续商业部署所必需的。它很可能会在未来10年内出现。随后，大规模部署将接踵而至。聚变能源如今确实已经出现在地平线上。